Rys.4. Różne techniki oświetlenia

OŚWIETLACZE – KLASYFIKACJA

Ważnym terminem związanym z techniką oświetlania obiektów jest kąt bryłowy. Określa on powierzchnię na sferze, przez którą w omawianym przypadku przenika światło i w centrum której umieszczony jest obiekt.

Na tej podstawie dokonuje się podziału metod oświetleniowych stosowanych w systemach wizyjnych. W zależności od wartości kąta bryłowego oświetlenie dzieli się na punktowe (mały kąt bryłowy) i rozproszone (duży kąt bryłowy).

Oświetlenie punktowe (point-like lighting) jest proste w realizacji, ponieważ oświetlacze mają zazwyczaj niewielkie rozmiary i mogą być zainstalowane w niewielkiej odległości od obiektu. Oświetlaczem tego typu mogą być np. diody LED lub układy wykorzystujące światłowody.

Oświetlenie punktowe charakteryzuje się dużą intensywnością. Sprawdza się w tworzeniu obrazów o ostrych krawędziach i uwydatnianiu wszelkich charakterystycznych cech powierzchni obiektu.

Niewielki rozmiar sprawia, że oświetlacze tego typu są łatwiejsze w montażu niż oświetlenie rozproszone. Z drugiej strony, w przypadku silnie odblaskowych powierzchni punktowe oświetlenie sprzyja powstawania rozbłysków, które mogą oślepić kamerę i uniemożliwić uzyskanie obrazu całego obiektu.

Rys.5. Układ oświetlacza współosiowego

Oświetlenie rozproszone (diffuse lighting) jest z definicji związane z dużym kątem bryłowym wokół obiektu. Przykładem oświetlaczy tego typu są świetlówki czy linijki diod LED.

Stosuje się też elementy rozpraszające przed punktowymi źródłami światła. Zaletą oświetlaczy ze światłem rozproszonym jest umożliwienie obserwacji odblaskowych powierzchni bez rozbłysków światła.

Problemem jest jednak często instalacja tego typu oświetlenia, ponieważ oświetlacz powinien otaczać obiekt. Jest to zazwyczaj związane ze złożoną konstrukcją całego systemu wizyjnego. Wadą oświetlaczy tego rodzaju jest też ryzyko uzyskania obrazów nieostrych.

Filtry polaryzacyjne w systemach wizyjnych Filtry polaryzacyjne są elementem powszechnie wykorzystywanym w systemach wizyjnych. Ich użycie pozwala uniknąć występowania szeregu negatywnych zjawisk związanych z rozbłyskami światła na powierzchni skanowanych obiektów. Układ przedstawiony na rysunku można wykorzystać np. podczas detekcji wadliwie zafoliowanych obiektów. Przykładem może być kontrola zniekształceń powłoki, w którą zawijane są baterie paczkowane po kilka sztuk. Zaprezentowany system wizyjny składa się z podstawowych elementów typowych dla innych rozwiązań tego typu. Jednak oprócz układu oświetlenia i kamery z obiektywem na drodze promieni świetlnych padających i odbitych od ekranu zostały umieszczone dwa filtry polaryzacyjne. Promień światła oznaczony na rysunku jako "1" po przejściu przez filtr A zostaje odpowiednio spolaryzowany i jako promień "2" odbija się od przezroczystej powłoki pokrywającej skanowany obiekt. Promień odbity "3" ze względu na swoją polaryzację nie dociera do kamery. Wynika to z innej polaryzacji filtru umieszczonego przed kamerą, którego zadaniem jest blokowanie odblasków od powłoki. Promień, który przenika powłokę po odbiciu od obiektu i przejściu przez filtr B, jako promień "5" dociera do obiektywu kamery.

Rys.6. Oświetlacze z serii Nerlite Dark-Field zawierają rząd diod LED zamontowanych pod kątem 70 lub 90° do osi prostopadłej do powierzchni obiektu

POLE JASNE, POLE CIEMNE

Jednym z pojęć związanych z techniką obserwacji jest tzw. oświetlenie w polu jasnym i polu ciemnym (rys. 4). W pierwszym przypadku światło pada pod pewnym kątem do powierzchni obiektu. Jest to metoda stosowana w większości systemów wizyjnych.

Odmianą tej techniki jest wykorzystanie oświetlenia współosiowego, które wymaga dodatkowo dzielnika wiązki (rys. 5). Promienie świetlne po odbiciu od dzielnika padają na obiekt pod kątem w przybliżeniu równym 90°.

Z kolei tzw. oświetlenie w polu ciemnym polega na bocznym oświetleniu obiektu. Wiązka światła padająca równolegle do powierzchni obiektu jest wykorzystywana np. do obserwacji wszelkich zanieczyszczeń, zarysowań i innych niedoskonałości elementu. Praktyczną realizacją oświetlenia tego typu jest ustawienie pierścienia diod LED pod bardzo małym kątem do powierzchni obiektu (rys. 6).

Trzecim sposobem jest podświetlanie obserwowanych obiektów (rys. 7). Jest wykorzystywane w dwóch przypadkach – do prześwietlania przeźroczystych i półprzeźroczystych obiektów oraz do kontroli konturów obiektów nieprzeźroczystych.

Rys.7. Podświetlanie obiektu

Przykładem zastosowania tej techniki jest produkcja szkła. Oświetlenie pozwala na obserwację zarówno uszkodzeń zewnętrznych, takich jak rysy i wyżłobienia, jak również defektów wewnątrz struktury, takich jak pęcherzyki powietrza i zanieczyszczenia.

Najczęściej jednak technika podświetlenia stosowana jest w obserwacji konturów nieprzeźroczystych obiektów. Obraz tego typu jest relatywnie prosty w przetwarzaniu, ponieważ jest zazwyczaj binarny i dwuwymiarowy. Innym zastosowaniem jest oświetlanie elementów w podajniku, mające na celu określenie ich orientacji przed podniesieniem przez ramię robota.

Rys. 8. Podstawowe parametry obiektywu, które należy brać pod uwagę przy jego wyborze

CZĘŚĆ II: OBIEKTYWY

Poprawna praca systemu wizyjnego zależy od działania części optycznej, gdyż obiektyw odwzorowuje podświetlone elementy obiektu. W wielu aplikacjach – np. w systemach kontroli poprawności ułożenia oraz w wymiarowaniu elementów, układ ten powinien odwzorowywać obiekt w stałej geometrii.

Jest to konieczne, aby można było precyzyjnie zmierzyć lub zlokalizować dany element. Układ oświetlenia oraz obiektyw powinny zatem współpracować tak, aby kns ten jest kluczowy przy planowaniu rozmieszczenia elementów systemu.

Wybierając obiektyw przeznaczony dla systemu wizyjnego, należy rozważyć kilka kwestii i pamiętać, że błędów w doborze obiektywu nie skoryguje nawet najbardziej złożone oprogramowanie. Parametry obiektywów (patrz rys. 8), w tym pole widzenia (field of view), rozdzielczość i głębia ostrości (depth of field) są warte przeanalizowania pod kątem wymagań danej aplikacji.

Należy rozważyć też właściwości elementów będących obiektem inspekcji oraz obszar obserwacji. Dyskusji wymaga też parametr zwany odległością roboczą (working distance), czyli odległość od obiektywu do obiektu. W systemach wizyjnych dystans ten jest kluczowy przy planowaniu rozmieszczenia elementów systemu.

Wojciech Roczon Inżynier wsparcia technicznego i marketingu Balluff Do głównych czynników mających wpływ na rozwójrozwiązań opartych na systemach wizyjnych należą coraz wyższe wymagania dotyczące jakości produktów oraz ograniczenia stosowania standardowych metod opartych na czujnikach i przetwornikach. Ma to przede wszystkim wpływ na branże poddostawców dla motoryzacji, jak i samych producentów samochodów, gdzie wymagania co do jakości i eliminacji błędów są coraz większe. Częstą przeszkodą w wykorzystaniu systemów wizyjnych jest ich cena, dlatego aktualne zainteresowanie dostawców skupia się na wykorzystaniu kompaktowych elementów wizyjnych – np. czujników wizyjnych. Liczba dostępnych na rynku rozwiązań tego rodzaju rośnie, zwiększają się też możliwości ich wykorzystania. Ceny czujników wizyjnych w coraz większym stopniu zbliżają się do cen zaawansowanych czujników optycznych, co powoduje, że stają się one dobrą alternatywą, szczególnie ze względu na możliwość sprawdzania kilku cech produktu jednocześnie i brak konieczności dokładnego pozycjonowania elementów kontrolowanych.

NAJWAŻNIEJSZE PARAMETRY PRZY WYBORZE OBIEKTYWU

Projektując system wizyjny, inżynierowie często za najważniejszy parametr uważają uzyskiwane powiększenie. Należy jednak pamiętać, że powiększenie systemu zależy od różnych czynników, w tym od rozmiaru przetwornika obrazu oraz wyświetlacza. Na przykład powiększenie 50× może być uzyskane w systemie o polu widzenia 5,3mm z kamerą z przetwornikiem obrazu 1/2’’ i monitorem 13’’.

W systemie z polem widzenia 15,2mm, przetwornikiem 1’’ i monitorem 19’’ powiększenie będzie identyczne. Oba systemy w równym stopniu powiększają badany obiekt, różniąc się znacząco pod względem szczegółowych właściwości. Powiększenie w systemach wizyjnych nie jest więc najistotniejszym parametrem. O jakości uzyskiwanego obrazu oraz możliwości uwydatnienia istotnych cech obiektu decydują przede wszystkim takie parametry, jak pole widzenia i rozdzielczość.

Pole widzenia to obszar, który obiektyw powinien odwzorowywać na światłoczułym elemencie kamery. Zazwyczaj jest on opisywany w postaci długości przekątnej lub szerokości obszaru. Typowo stosunek szerokości pola widzenia do jego długości wynosi 4:3 i zależy m.in. od wymiarów pola obrazowego kamery. Dlatego rozmiar przetwornika obrazu w kamerze jest istotny przy wyborze obiektywu o wymaganej wartości ogniskowej. Znając wymaganą szerokość pola widzenia i odległość od obiektu, można dobrać obiektyw o odpowiedniej ogniskowej w zależności od wymiarów przetwornika.

Systemy wizyjne w kontroli jakości zamknięcia butelek Jednym z najczęściej spotykanych zastosowań systemów wizyjnych w przemyśle jest kontrola poprawności położenia komponentów. Przykładem jest ich użycie na linii butelkowania wody lub napojów. Zadaniem systemu jest detekcja wszelkich uchybień w jakości produkowanych artykułów. Dotyczy to m.in. dokładności zamknięcia butelki czy poprawności naklejenia etykiety. Innym przykładem jest zliczanie butelek lub puszek i kontrola ich liczby w poszczególnych opakowaniach.